DE4341438A1 - Modulkraftwerk für die Erzeugung von hauptsächlich Wasserstoff aus Sonnenenergie - Google Patents

Modulkraftwerk für die Erzeugung von hauptsächlich Wasserstoff aus Sonnenenergie

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Description

Die Erfindung betrifft ein Modulkraftwerk für die Erzeugung von hauptsächlich Wasserstoff aus Sonnenenergie. Hauptsächlich Wasserstoff meint, daß Wasserstoff das eigentliche und verfahrenstechnisch angestrebte Produkt ist. - Modulkraftwerk bedeutet, daß das Kraftwerk eine Mehrzahl von Modulen unterschiedlicher Funktion aufweist, aus denen das Kraftwerk insgesamt gleichsam bausteinartig zusammengesetzt ist. Die Module sind Elemente einer Serienfertigung. Es versteht sich, daß die Module über Funktionsleitungen und Steuerleitungen verbunden sind.
Ein Modulkraftwerk für die Erzeugung von hauptsächlich Wasserstoff aus Sonnenenergie ist nicht bekannt. Allerdings sind sogenannte Sonnenkraftwerke bekannt, die eine Vielzahl von gleichen Bauteilen, sogenannten Sonnenkollektoren, für die Aufnahme der Sonnenenergie aufweisen, die über einen thermischen Effekt mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen oder über einen lichtelektrischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt wird. Im übrigen sind Kraftwerke bekannt, die zumindest einen Vergasungsreaktor für die Vergasung von fossilen Brennstoffen und auch Biorohstoffen zu Brenngas aufweisen, wobei das Brennstoffgas verwertet, z. B. über Wärmekraftmaschinen verstromt wird.
Biorohstoffe bezeichnet allgemein alle regenerativen Rohstoffe, d. h. solche Rohstoffe, die mit einer weitgehend vorgehbaren Produktionsrate auf biologischem Wege nach Maßgabe der Vegetationsperioden einer Region wiederherstellbar sind. Biorohstoffe stehen somit im Gegensatz zu fossilen Rohstoffen, die wesentlich langsamer gebildet als verbraucht werden. Ein Biorohstoff kann mit prinzipiell noch intakter Zellstuktur oder mit desintegrierter Struktur, beispielsweise als feines Pulver, zur Verfügung gestellt werden. Biorohstoffe enthalten im wesentlichen die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und sind eiweiß- und schwefelarm. Biorohstoffe bezeichnet im Rahmen der Erfindung insbesondere C4-Pflanzen und ligninreiche Pflanzen. Im Rahmen der Erfindung wird insbesondere mit perennierenden Pflanzen zur Erzeugung der Biorohstoffe gearbeitet.
Molekularer Wasserstoff steht nicht als Rohstoff zur Erzeugung von Energie zur Verfügung, sondern muß aus wasserstoffhaltigen Rohstoffen gewonnen werden. Die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels normaler Elektrolyse verbraucht mehr Strom, als mit dem Wasserstoff erzeugt werden kann, und kommt daher ohne weiteres nicht in Frage. Die katalytische Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff ist sehr langsam und liefert mit hohem Aufwand nur geringe Mengen, aus welchem Grunde eine kommerzielle Nutzung unattraktiv ist. Seit langem gut bekannt sind die Erzeugung von sogenanntem Synthesegas aus Kohle, welches im wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, und die hierfür erforderlichen Anlagen. Dieser Prozeß wird als Kohlevergasung bezeichnet. In einer sogenannten Watershift-Reaktion kann das Kohlenmonoxid in dem Synthesegas unter Zugabe von Wasserdampf und bei erhöhter Temperatur in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt werden. Das Kohlendioxid kann leicht entfernt werden. Der gewonnene Wasserstoff kann für die verschiedensten Zwecke, insbesondere zur Gewinnung von elektrischer Energie mit Hilfe von Brennstoffzellen oder zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, eingesetzt werden.
Die Erzeugung von Wasserstoff erfolgt bis heute zentral in Großanlagen, zumeist auf Basis von fossilen Brennstoffen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, Sonnenenergie auf einfache Weise dezentral in hauptsächlich Wasserstoff umzuwandeln. Zur Lösung dieses technischen Problems ist Gegenstand der Erfindung ein Modulkraftwerk für die Erzeugung von hauptsächlich Wasserstoff aus Sonnenenergie, - mit
  • a) einem Umformmodul für die Umformung von Sonnenenergie in Biorohstoffe, die ausreichend frei von rohstoffbürtigem Schwefel sind, in Form einer landwirtschaftlichen Kulturfläche mit darauf angebauten, in Biorohstoffe umsetzbaren Pflanzen, insbesondere C4-Pflanzen,
  • b) einem Vergasungsmodul in Form eines Vergasungsreaktors für die Vergasung der Biorohstoffe in Anwesenheit von Wasserdampf zu einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas bei Temperaturen sowie bei einer Verweilzeit der zu vergasenden Produkte in der Vergasungszone des Vergasungsreaktors, die eine Teerkondensation in der Vergasungszone nachgeschalteten Zonen des Vergasungsmoduls und/oder in einem nachgeschalteten Modul unterdrücken,
  • c) einem Speichermodul, in dem das Brennstoffgas oder der gewonnene Wasserstoff gespeichert werden,
wobei der Umformmodul ein Aggregat zur Biorohstoffernte und ein Aufbereitungsaggregat zur Aufbereitung der Biorohstoffe zu einem Vergasungsvorprodukt aufweist, wobei der Vergasungsmodul über eine Beschickeinrichtung mit dem Aufbereitungsaggregat verbunden ist, wobei der Speichermodul über eine Einrichtung zur Brenngasreinigung mit dem Vergasungsmodul verbunden ist, wobei der Vergasungsmodul und der Speichermodul in bezug auf die Anlagenleistung leistungsmäßig aufeinander und so abgestimmt sind, daß ein Teilstrom des Brennstoffgases für die Wasserdampferzeugung und ein weiterer Teilstrom und/oder Abwärme des Modulkraftwerkes für die Trocknung der geernteten Biorohstoffe einsetzbar sind, wobei der Umformmodul in bezug auf die Kulturfläche von Fall zu Fall nach Maßgabe der vorgegebenen Anlagenleistung dimensioniert ist, wobei der Umformmodul ein Aufbereitungsaggregat von Form von zumindest einer Erntemaschine für die Biorohstoffe und in Form einer Häckseleinrichtung oder Pelletiereinrichtung aufweist und für die aufbereitete Biomasse eine Lagereinrichtung besitzt, mit der vegetationsbedingte Mengenschwankungen der aufbereiteten Biorohstoffe ausgleichbar sind, und wobei ferner die wesentlichen Elemente des Umformmoduls, der Vergasungsmodul und der Speichermodul als im montierten und demontierten Zustand transportable Modulelemente des Modulkraftwerkes vorgefertigt sind. Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung mehrere Modulkraftwerke des beschriebenen Aufbaus nebeneinander installiert werden können, wobei die Auslegung des Umformmoduls auch so geschehen kann, daß dieses mehrere der Modulkraftwerke bedient. Der erzeugte Wasserstoff kann am Ort verbraucht oder verkauft werden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Sonnenenergie über natürliche Sonnenkollektoren, nämlich mit Hilfe von in Biorohstoffe umsetzbaren Pflanzen, insbesondere mit Hilfe von perennierenden Pflanzen, umfangreich und im Rhythmus der Vegetationsperiode einer geographischen Zone mit geringem technischem Aufwand gewonnen und gespeichert werden kann. Die so gespeicherte Sonnenenergie kann ohne großen Aufwand in Wasserstoff umgewandelt und als Wasserstoff gespeichert und der Verwendung zugeführt werden. Dazu werden die einzelnen Module zentral hergestellt und zu dem Speicherort verbracht sowie aus Transportgründen erforderlichenfalls in weitere Komponenten zerlegt. Am Installationsort erfolgt die vorstehend beschriebene Abstimmung des Umformmoduls auf die Leistung, die der Vergasungsmodul und der Speichermodul auslegungsmäßig mitgebracht haben und die insoweit vorgegeben ist. Die Erfindung kombiniert einen natürlichen Umwandlungsprozeß für die Sonnenenergie mit Hardwareelementen und dem so gebildeten Umformmodul mit bewährten Aggregaten für die Erzeugung des Brennstoffgases und die Wasserstofferzeugung, die ihrerseits als Modul eingerichtet sind.
Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsmodul für eine allotherme Vergasung eingerichtet ist, - und so betrieben wird, daß das Brennstoffgas ein Wasserstoff/ Biomasse-Verhältnis von größer 1 aufweist. Der Vergasungsmodul ist zweckmäßigerweise mit einem Vergasungsreaktor ausgerüstet, der unter Druck mit Wasserdampf als Vergasungs- und Fluidisierungsmittel arbeitet, wie es für fossile Brennstoffe an sich bekannt ist (vgl. EP 0 329 673 B1). Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Vergasungsmodul für eine allotherme Vergasung bei möglichst niedriger Temperatur so eingerichtet, daß das Brennstoffgas zumindest etwa 50% Wasserstoff enthält.
Der Wasserstoff aus dem Brennstoffgas kann auf bekannte Weise separiert und in Druckgefäßen unter Druck gespeichert werden. Man kann aber auch den Wasserstoff aus dem Brennstoffgas separieren und in Metallhydrid speichern.
Ein erfindungsgemäßes Modulkraftwerk kann mit geringem Aufwand autark arbeiten. Dazu lehrt die Erfindung, daß zusätzlich ein Wasserdampferzeugungsmodul angeordnet ist, der von einem Teilstrom des Brennstoffgases beheizbar ist. Andererseits kann der Umwandlungsmodul mit einer Trocknungseinrichtung ausgerüstet sein, die von der Abwärme des Modulkraftwerkes beheizt ist. Bei einem erfindungsgemäßen Modulkraftwerk fällt im Zusammenhang mit der Vergasung Asche an. Sie kann dem Umwandlungsmodul als Dünger wieder zugeführt werden. Die in Biorohstoffe umsetzbaren Pflanzen, insbesondere die sogenannten C4-Pflanzen, sterben als perennierende Pflanzen erst nach fünf bis zehn oder mehr Vegetationsperioden ab. Erst danach muß der Umformmodul als landwirtschaftliche Kulturfläche neu bestellt werden. - Im Rahmen des erfindungsgemäßen Modulkraftwerks fällt Abwärme an. Sie kann insbesondere bei der allothermen Verfahrensweise in den Prozeß zurückgeführt werden.
Im folgenden werden Maßnahmen der Erfindung technologisch ausführlicher erläutert. Erfindungsgemäß kann bezüglich der Teiloxidation der Vergasungsmodul in verschiedenen Ausführungsformen betrieben werden. Insbesondere kann eine direkte Teilverbrennung von Biorohstoffen im Oxidationsreaktor durchgeführt werden. In einer Ausführungsform, der besondere Bedeutung zukommt, wird die Teiloxidation unter Zufuhr von extern erzeugter Wärme und mit einem im wesentlichen Wasserdampf enthaltenden Vergasungsmittel durchgeführt. Diese Verfahrensweise ist in anderem Zusammenhang als allotherme Vergasung bekannt. Die Zufuhr von extern erzeugter Wärme ist bei einer allothermen Vergasung erforderlich, da die Reaktion von Biorohstoff mit Wasserdampf zu Brennstoffgas insgesamt endotherm ist. Die Wärme für die Teiloxidation kann dabei vorzugsweise durch Verbrennung von Biorohstoff oder von Brennstoffgas erzeugt werden. Vorteilhafterweise wird die Wärme für die Teiloxidation mittels eines üblichen Wärmeträgergases über einen Wärmetauscher in den Oxidationsreaktor eingetragen. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Teiloxidation ohne Zufuhr von extern erzeugter Wärme und mit einem im wesentlichen Wasserdampf und molekularen Sauerstoff bzw. Luft enthaltenden Vergasungsmittel durchgeführt. Diese Verfahrensweise ist in anderem Zusammenhang als autotherme Vergasung bekannt. Dabei erfolgen mit dem Anteil molekularen Sauerstoffs im Vergasungsmittel exotherme Oxidationsreaktionen, wodurch "in situ" die erforderliche Wärme für die endotherme Reaktion von Wasserdampf und Biorohstoff entsteht. Eine autotherme oder allotherme Vergasung ist grundsätzlich bekannt aus der Literaturstelle "Stahl und Eisen", Band 110, 1990, Nr. 8, Seiten 131 bis 136, jedoch in anderem Zusammenhang. Das erfindungsgemäße Modulkraftwerk bevorzugt zur Optimierung der Wasserstofferzeugung die allotherme Vergasung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Modulkraftwerkes und
Fig. 2 ein Funktionsschema zu dem Gegenstand nach Fig. 1.
Das in den Figuren dargestellte Modulkraftwerk dient zur Erzeugung von Wasserstoff als Hauptprodukt aus Sonnenenergie. Zu dem Modulkraftwerk gehören drei Module besonderer Funktion:
Ein Umformmodul 1 für die Umformung von Sonnenenergie in Biorohstoffe, die ausreichend frei von rohstoffbürtigem Schwefel sind, in Form einer landwirtschaftlichen Kulturfläche mit darauf angebauten, in Biorohstoffe umsetzbaren Pflanzen, insbesondere C4-Pflanzen. Im allgemeinen wird man perennierende Pflanzen einsetzen. Ein Vergasungsmodul 2 in Form eines Vergasungsreaktors für die Vergasung der Biorohstoffe in Anwesenheit von Wasserdampf zu einem Brennstoffgas bei Temperaturen sowie bei einer Verweilzeit der zu vergasenden Produkte in der Vergasungszone des Vergasungsreaktors, die eine Teerkondensation in der Vergasungszone nachgeschalteten Zonen des Vergasungsmoduls und/oder in einem nachgeschalteten Brennstoffzellenmodul unterdrücken. Ein Speichermodul 3 nimmt das wasserstoffreiche Brennstoffgas und/oder den Wasserstoff auf. Der Umformmodul 1 besitzt ein Aggregat 4 zur Biorohstoffernte und ein Aufbereitungsaggregat 5 zur Aufbereitung der Biorohstoffe zu einem Vergasungsvorprodukt. Der Vergasungsmodul 2 ist über eine Beschickungseinrichtung 6 mit dem Aufbereitungsaggregat 5 verbunden. Der Speichermodul 3, z. B. mit einem Metallhydridspeicher 7, ist über eine Einrichtung 8 zur Brenngasreinigung mit dem Vergasungsmodul 2 verbunden. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Vergasungsmodul 2 und der Speichermodul 3 in bezug auf die Anlagenleistung leistungsmäßig aufeinander und so abgestimmt sind, daß ein Teilstrom des Brennstoffgases für die Wasserdampferzeugung und ein weiterer Teilstrom und/oder die Abwärme des Modulkraftwerkes für eine Trocknung der geernteten Biorohstoffe einsetzbar sind. Der Speichermodul 3 kann eine Mehrzahl von Speicherelementen aufweisen, was nicht gezeichnet wurde. Der Umformmodul 1 besitzt ein Aufbereitungsaggregat 5 für die Biorohstoffe in Form einer Häckseleinrichtung 9 oder einer Pelletiereinrichtung 10. Der Umformmodul 1 besitzt fernerhin für die aufbereitete Biomasse eine Lagereinrichtung 11, mit der vegetationsbedingte Mengenschwankungen der aufbereiteten Biorohstoffe ausgleichbar sind. Die wesentlichen Elemente des Umformmoduls 1, aber auch der Vergasungsmodul 2 und der Speichermodul 3 sind im montierten oder demontierten Zustand transportabel und werden im allgemeinen an zentraler Stelle vorgefertigt. Aus der Fig. 2 entnimmt man, daß der Vergasungsmodul 2 für eine allotherme Vergasung eingerichtet ist. Der eigentliche Vergasungsreaktor 15 ist im allgemeinen für eine Druckvergasung mit Wasserdampf ausgelegt, wobei der Wasserdampf als Vergasungs- und Fluidisierungsmittel dient. Zusätzlich ist im Ausführungsbeispiel ein Wasserdampferzeugungsmodul 12 über eine Leitung 13 vorgesehen, der von einem Teilstrom des Brennstoffgases durch Verbrennung beheizbar ist. Wie beschrieben kann die Abwärme benutzt werden. Der Wasserstoff kann bei 14 aus dem Modulkraftwerk abgezogen und an Ort und Stelle verbraucht oder in ein Netz eingespeist werden.
In der Fig. 2 erkennt man in dem Vergasungsmodul 2 den schon erwähnten Vergasungsreaktor 15 mit einer Einrichtung 16 für die Zuführung der Vergasungsvorprodukte und mit einem Ascheabzug 17. Im übrigen ist ein Wärmetauscher 18 vorgesehen, der den Wasserdampf überhitzt. Dieser Wärmetauscher 18 wird über eine Brennkammer 19 beheizt, der ein Teilstrom des Brennstoffgases zugeführt wird. Das für den Wasserdampf erforderliche Wasser wird über eine Wasseraufbereitungseinrichtung 20 geführt und einem Dampfgenerator 21 zugeführt. Es versteht sich, daß die erforderlichen Pumpen und Ventile und Einrichtungen zur Abwärmenutzung zugeschaltet sind.
Vergasungsmodul 2 und Speichermodul 3 sind über eine Installation 22 verbunden, wobei ein Reaktor 23 wesentlich ist, in dem über einen Wassergasprozeß der Wasserstoffgehalt des Brennstoffgases erhöht wird. Im übrigen gehören zur Installation ein Wärmetauscher 24 und eine Quencheinrichtung 25.

Claims (9)

1. Modulkraftwerk für die Erzeugung von hauptsächlich Wasserstoff aus Sonnenenergie, - mit
  • a) einen Umformmodul für die Umformung von Sonnenenergie in Biorohstoffe, die ausreichend frei von rohstoffbürtigem Schwefel sind, in Form einer landwirtschaftlichen Kulturfläche mit darauf angebauten, in Biorohstoffe umsetzbaren Pflanzen, insbesondere C4-Pflanzen,
  • b) einem Vergasungsmodul in Form eines Vergasungsreaktors für die Vergasung der Biorohstoffe in Anwesenheit von Wasserdampf zu einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas bei Temperaturen sowie bei einer Verweilzeit der zu vergasenden Produkte in der Vergasungszone des Vergasungsreaktors, die eine Teerkondensation in der Vergasungszone nachgeschalteten Zonen des Vergasungsmoduls und/oder in einem nachgeschalteten Modul unterdrücken,
  • c) einem Speichermodul, in dem das Brennstoffgas oder der gewonnene Wasserstoff gespeichert werden,
wobei der Umformmodul ein Aggregat zur Biorohstoffernte und ein Aufbereitungsaggregat zur Aufbereitung der Biorohstoffe zu einem Vergasungsvorprodukt aufweist, wobei der Vergasungsmodul über eine Beschickeinrichtung mit dem Aufbereitungsaggregat verbunden ist, wobei der Speichermodul über eine Einrichtung zur Brenngasreinigung mit dem Vergasungsmodul verbunden ist, wobei der Vergasungsmodul und der Speichermodul in bezug auf die Anlagenleistung leistungsmäßig aufeinander und so abgestimmt sind, daß ein Teilstrom des Brennstoffgases für die Wasserdampferzeugung und ein weiterer Teilstrom und/oder Abwärme des Modulkraftwerkes für die Trocknung der geernteten Biorohstoffe einsetzbar sind, wobei der Umformmodul in bezug auf die Kulturfläche von Fall zu Fall nach Maßgabe der vorgegebenen Anlagenleistung dimensioniert ist, wobei der Umformmodul ein Aufbereitungsaggregat von Form von zumindest einer Erntemaschine für die Biorohstoffe und in Form einer Häckseleinrichtung oder Pelletiereinrichtung aufweist und für die aufbereitete Biomasse eine Lagereinrichtung besitzt, mit der vegetationsbedingte Mengenschwankungen der aufbereiteten Biorohstoffe ausgleichbar sind, und wobei ferner die wesentlichen Elemente des Umformmoduls, der Vergasungsmodul und der Speichermodul als im montierten und demontierten Zustand transportable Modulelemente des Modulkraftwerkes vorgefertigt sind.
2. Modulkraftwerk nach Anspruch 1, wobei der Vergasungsmodul mit zumindest einem Vergasungsreaktor ausgerüstet ist, der unter Druck mit Wasserdampf als Vergasungs- und Fluidisierungsmittel arbeitet (EP 0 329 673 B1).
3. Modulkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Vergasungsmodul für eine allotherme Vergasung eingerichtet ist.
4. Modulkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Vergasungsmodul für eine allotherme Vergasung bei möglichst niedriger Temperatur so eingerichtet ist, daß das Brennstoffgas zumindest etwa 50% Wasserstoff enthält.
5. Modulkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wasserstoff aus dem Brennstoffgas auf bekannte Weise separiert und in Druckgefäßen unter Druck gespeichert wird.
6. Modulkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wasserstoff aus dem Brennstoffgas separiert und in Metallhydridspeichern gespeichert wird.
7. Modulkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zusätzlich ein Wasserdampferzeugungsmodul angeordnet ist, der von einem Teilstrom des Brennstoffgases beheizbar ist.
8. Modulkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei dem Umformmodul eine Trocknungseinrichtung für das Vergasungsvorprodukt zugeordnet ist, welches von der Abwärme des Modulkraftwerkes beheizbar ist.
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